Kuantum mekaniği, atom altı parçacıkları inceleyen bir temel fizik teorisidir. Çok sık olmasa da bazı kaynaklarda “Nicem mekaniği” veya “Dalga mekaniği” isimleriyle geçer. İnsanlığın geliştirdiği en büyük ve ileri seviye teorilerin başında gelmesiyle beraber, kuantum fizikçilerine dahi fazlasıyla kafa karıştırıcı ve zaman zaman mantıksız gelmektedir ancak bu, kuantum mekaniğinin tutarsız ve mantıksız olduğu anlamına gelmiyor. Gün geçtikçe teknoloji ve yapay zekanın gelişmesi bu teorinin doğruluğunu pekiştiriyor ve aslında anlamadığımız, akla sığmayan bazı fikir ve olayların doğru olabileceği ihtimalini ortaya çıkarıyor. Ancak bunlar şimdilik sadece “bazı” olaylarda geçerli ve halen daha anlaşılması inanılmaz zor olabiliyor. Hatta kuantum mekaniği için ünlü fizikçi Richard Feynman şu sözleri kullanmıştır:” Rahatlıkla söyleyebilirim ki hiç kimse kuantum mekaniğini anlamamaktadır.” Ancak bu yazı için amacım size ileri seviye kuantum mekaniğini anlatmak değil. Bu sebeple kuantum mekaniğini sadece birkaç basit denklem ve sözel ifadelerle anlatacağım. Bu yüzden Richard Feynman’ın sözleri bu yazı için geçerli olmayacak diyebiliriz.
Mikroçiplerin, lazerlerin ve daha birçok şeyin işleyişinin temelinde kuantum fiziği yatıyor. DNA ipliklerini bir arada tutan ve ikili sarmal moleküllerinin kendilerini kopyalamasını sağlayan kimyasal bağlar da tamamen kuantum fiziğinin yasalarına göre işliyor.
Kuantum mekaniği, fizikte bir çığır açmıştır demek yanlış olmaz çünkü kuantum mekaniği, insanların yıllarca doğru sandığı ve yanlışlanamayacak düzeyde gördüğü yasaların aslında hatalarının olduğunu ortaya çıkardı ve özellikle Albert Einstein, Galileo Galilei ve Isaac Newton’un katkılarıyla oluşmuş “klasik” fiziği bir nevi olarak yıktı diyebiliriz. Aslında kuantum mekaniğinin ortaya çıkmasında ana neden, klasik fiziğin atom altı olaylara incelemekte yetersiz kalması ve hata yapması.
Biraz da klasik fizik ile kuantum fiziğin arasındaki en önemli farklardan bahsedeyim. Bence aralarındaki en büyük fark klasik fiziğin deterministik olması. Klasik fiziğe göre her şeyin nerede olduğunu ve nereye gittiğini bildiğinizde onların tüm geleceğini ve geçmişini hesaplayabilirsiniz. Geleceği ve geçmişi cisimlerin şu anki durumları ve özellikleri belirler. Bu kavrama “Newton’un saat gibi işleyen evreni” de deniyor. Ancak bu kuantum fiziğine tamamen aykırı. Kuantum fiziğinde, ilerleyen satırlarda bahsedeceğim Werner Heisenberg tarafından ortaya atılan bir ilke bu konuya öncülük ediyor:” Belirsizlik ilkesi”. Belirsizlik ilkesine göre bir elektronun bulunduğu konumu ve momentumu aynı anda kesin olarak bilinemez. İkinci fark ise “Dalga-parçacık ikiliği”. Thomas Young tarafından yapılan ve kuantum fiziğinin temellerinden biri olan “Çift yarık deneyi” bunun için gayet iyi bir örnek. 1800’lerin başlarında Thomas Young, ışığı bir yarıktan geçirdiğinde, yarığın ışık kaynağı gibi davrandığını ve ışığın buradan dalga cepheleri şeklinde genişlediğini gördü. Bu ışığı, diğer bir bariyerdeki orijinal yarıktan ölçülü bir uzaklığa yerleştirilmiş olan bir yarık çiftinden geçirdi. Her yarık sırayla kendi başına bir ışık kaynağı gibi ışığı yaydı. Işık gözlem ekranına yansıtıldı. Tek yarıktan geçen ışık, merkezde yoğun biçimde sıklaşmış, merkezden uzak kısımlarda gittikçe solgunlaşmış bir görünüme sahipti. Buna göre çift yarık açılınca deneyin iki mümkün sonucu olabilirdi: Parçacık Görüşü: Eğer ışık parçacık olarak var ise iki yarıktan çıkan ışığın yoğunluğu tek tek yarıkların yaydığı ışığın yoğunlukları toplamına eşit olmalı. Dalga Görüşü: Eğer ışık dalga olarak var ise ışık dalgaları süperpozisyon ilkesine göre birbirine karışarak karanlık ve aydınlık şeritler oluşturmalı. Deney gerçekleştirildiğinde ışığın gerçekten dalga görüşü modelinde davrandığı görüldü. Aynı düzeneğe bir gözlemci yerleştirildiğinde elektronlar karakter değiştirerek parçacık gibi davranmış ve duvarda çift desen oluşturmuştur. Bu deney sonucunda ortaya çıkan sonuca göre ışık farklı durumlarda farklı özellik gösterir. Kimi zaman bir parçacık özelliği, kimi zaman dalga özelliği gösterir. Ancak bu klasik mekaniğe göre uygun bir şey değil. Tabi ki klasik ve kuantum fiziği arasındaki fark bu ikisiyle sınırlı değil ancak en önemlileri olduğunu söylemek lazım.
Kuantum mekaniğinin tarihi modern fizik tarihinin önemli bir parçasıdır. Kuantum mekaniği, sanılanın aksine Erwin Schrödinger’in düşünce deneyi -bir kedinin başrolünde olduğu bir deney- ile ortaya çıkmamıştır. Erwin Schrödinger bu deneyi 1935 yılında geliştirilmiştir. Aynı zamanda Schrödinger’in en önemli projesi olduğunu söylemek de çok doğru olmaz. Schrödinger, “Dalga denklemi” ile 1933 yılında Nobel Fizik Ödülü’ne layık görüldü. Bu denklem kuantum mekaniğindeki parçacıkların hız ve pozisyon gibi özelliklerinin, yani” kuantum durum” larının zaman içinde nasıl evrimleşeceğini açıklar. Schrödinger denkleminin zamana bağlı versiyonu şöyle gösterilebilir :
Burada i sanal birimdir, ħ 2π ile Planck sabitinin oranıdır, "∂/∂t" sembolü bir t zamana göre kısmi türev ile ayırır, Ψ kuantum sistemin dalga fonksiyonudur. Kuantum fiziğinde dalga fonksiyonu izole bir kuantum sistemindeki kuantum durumunu betimler. Dalga fonksiyonu karmaşık değerli bir olasılık genliğidir ve sistem üzerindeki olası ölçümlerin olasılıklarının bulunmasını sağlar. Ĥ ile gösterilen şey Hamiltonyen işlemcidir. Kuantum mekaniğinde Hamilton işlemcisi, kinetik enerjilerin toplamına ve sistemdeki tüm parçacıklar için potansiyel enerjilere karşılık gelen bir işlemcidir. .
“Kuantum mekaniği” ifadesi Werner Heisenberg, Max Born ve Wolfgang Paulil’nin aralarında bulunduğu birkaç fizikçi tarafından Göttingen Üniversitesinde 1920’lerin başında üretilmiştir ve ilk olarak 1924 tarihli “Zur Quantenmechanik” makalesinde kullanılmıştır ancak kuantum mekaniğinin bu kadar gelişmesine etki eden bilim insanlarından bahsetmemek yanlış olacaktır.
Bahsetmem gereken ilk kişi Alman fizikçi Max Planck. Max Planck’ın kuantum mekanikçilerinin arasında öne çıkışı 1900 yılında “Planck yasası”nı geliştirmesiyle oldu. Peki Planck yasası nedir?
Planck yasası belirli bir sıcaklıkta termal denge durumunda bulunan bir kara cisim ışımasının yaydığı elektromanyetik radyasyonunu ifade eder. Bu yaklaşıma göre ışık dalgalardan değil, parçacıklardan oluşmaktaydı. Ona göre ışık, her bir parçacığının enerjisi “Planck sabiti” ve “ışımanın frekansı”nın çarpımı kadar olan enerji paketleri halinde yayılmaktaydı. Bağımsız dalga paketlerinden oluşan, ışığın her birimine foton ismi verildi. Bu yaklaşıma göre ışığın yayılması ya da soğrulması ancak belirli enerji değerlerine sahip iki farklı enerji seviyesindeki geçiş sonucu olmalıydı. Planck sabiti şu denklemle gösterilir:
E = hV
Bu denklemde “E” foton enerjisi,
“V” ışımanın frekansı
“h” ise Planck sabitidir. Planck sabiti ise kuantum mekaniğinde etki edilen en küçük birimi temsil eder. Bir nevi “Süreksizliğin birimi” denebilir. Max Planck bu buluşu ile 1918 Nobel Fizik Ödülünü kazanmıştır ve Bohr’un atom modeline öncülük etmiştir.
Bahsetmem gereken 2.kişi alman fizikçi Werner Heisenberg. Atomun yapısına yönelik çalışmalarıyla tanınan ve kuantum mekaniğinin kurucusu olan Alman fizikçi Heisenberg, henüz 24 yaşındayken oluşturduğu matris mekanik ve kendi adıyla bilinen belirsizlik ilkesiyle atom fiziğine yeni bir boyut kazandırdı. Özellikle belirsizlik ilkesi kuantum mekaniğinin temellerindendir.
şeklinde gösterilebilir.
∆x=konumdaki belirsizlik,
∆p=momentumdaki belirsizlik,
ℏ=h/(2∙π) =indirgenmiş Planck sabiti: 1.05×10(-34) J∙s
Bu denkleme göre bir parçacığın momentumundaki belirsizlik ile konumundaki belirsizliğin çarpımı h/2’den büyük olmak zorundadır. Planck sabiti çok küçük olduğu için bu belirsizliği makroskobik dünyada gözlemleyemeyiz ancak atom altı ölçeğe indikçe belirsizlik gitgide önem kazanmaya başlar. Momentum-konum belirsizliği basitçe şöyle işler: Bir parçacığın momentumu ne kadar az belirsiz ise konumu da bir o kadar belirsiz olacaktır. Ya da tam tersi. Eğer momentum-konum belirsizliği olmasaydı atomlar da var olmazdı. Bu sebeple içinde bulunduğumuz makroskobik dünya da var olmazdı çünkü negatif yüklü elektronların pozitif yüklü çekirdeğe düşmemelerini belirsizlik ilkesi sağlar. Elektron çekirdeğe yaklaştıkça konumdaki belirsizlik azalır ve dolayısıyla momentumdaki belirsizlik artar. Momentumdaki belirsizliğin artması elektronun çekirdek etrafındaki dönme hızını etkilediği için elektron, çekirdeğe düşmeyecek şekilde hareketine devam edebilir. Ancak aralarında belirsizlik ilişkisi olan sadece momentum ve konum değil. Aynı zamanda enerji ve zaman arasında da bir belirsizlik ilkesi vardır. O da şu şekilde gösterilir:
∆t=zamandaki belirsizlik,
∆E=enerjideki belirsizlik,
ℏ=h/(2∙π) =indirgenmiş Planck sabiti: 1.05×10(-34) J∙s
Enerji–zaman belirsizliği bize uzayın aslında boş olmadığını gösterir. Uzayda “yoktan” parçacıklar meydana gelebilir ancak kısa bir süre sonra yok olmak şartıyla. Bunun yanı sıra parçacıkların, kısa süreliğine büyük enerji kazanmalarına sebep olabilir ve buna Kuantum Tünelleme denir (Kuantum Tünelleme’nin ne olduğunu anlatmayacağım çünkü anlatırsam asıl amacımızdan biraz sapmış olacağım. Kuantum tünellemenin ne olduğunu detaylı bir şekilde araştırmak istiyorsanız Google’de aratıp karşınıza ilk çıkan siteden bilgi edinebilirsiniz.). Örneğin yıldızların enerji üretip ışık yayması için çekirdekteki moleküllerin enerji potansiyelini aşıp füzyon tepkimeyle birleşmeleri gerekir. Tuhaf olan ise, araştırmaların da gösterdiği gibi, yıldızların çekirdeğindeki sıcaklık, moleküllerin enerji bariyerini aşması gerekenden biraz daha düşüktür. Yıldızlar, enerjileri yetmediği halde füzyon tepkime gerçekleştirebilmelerini enerji – zaman belirsizliğine borçlulardır. Biz de bunları biliyor olmamızı Heisenberg’e borçluyuz diyebiliriz.
Üçüncü olarak bahsedilmesi gereken kişi ise Niels Bohr. Niels Bohr kuantum kuramının atom yapısının belirlenmesinde ilk kez kendi adıyla anılan atom modelini oluşturdu. Kuantum fiziğinin gelişmesinde 50 yıla yakın bir süre öncü rol oynadı. Ayrıca atom çekirdeğinin "sıvı damlacığı modeli"ni geliştirdi ama aslı bahsetmem gereken konu, Niels Bohr ve Albert Einstein arasındaki kuantum tartışması. Einstein ile Bohr arasındaki fikir farklılığı çok büyüktü ancak dostlukları buna rağmen hayatlarının sonuna kadar sürdü.
1930 yılında düzenlenen altıncı Solvay Kongresi'nde Einstein belirsizlik ilkesini eleştirmeye hazırdı. Einstein, içinde elektromanyetik radyasyon ve saat bulunan bir kutu düşünür (Einstein'ın kutusu da denir). Kutuya bakmayı sağlayacak bir delik vardır ve bu delik bir kapak tarafından kapatılmıştır. Kapak ∆t kadar bir süre sonra açılır. Delik açıldığı anda dışarı çıkmaya hazır bir foton olduğu düşünülür. Bu şekilde de kutunun açılmasyla yaşanacak olan deney düzlemindeki genişleme olmamış kabul edilebilir zira ulaşacak foton bu durumda daha önceye aittir. Enerji-zaman belirsizliğine karşı çıkabilmek için, enerjiyi çok hassas bir şekilde ölçebilmenin bir yolu bulunmalıdır. Tam bu durumda Einstein’ın enerji ile kütle arasındaki kendi yarattığı ilişkisi önümüze çıkıyor: E = mc². Bu denklem her konuda işimize yarayabiliyor değil mi? Kutunun kütlesi bilinirse enerji seviyesi de bilinir. Örnek bu sefer daha basitleşir: Bu duruma göre eğer biri kutunun ağırlığını açmadan önce ve sonra ölçerse, bir miktar enerji kutudan kaçacağından dolayı sonraki kütle daha düşük olacaktır. Sonuçta denklemin karşılıklı taraflarında bulunuyor bu iki değişken. Bu kütle farkının c² ile çarpımı bize bu kayıp enerjiyi net bir şekilde hesaplayacaktır. Hesaplamada çıkan değer ise yayılan enerjiden (dalgadan) başka bir şey değildir. Dahası, saat maddenin yayılımının tam anlamıyla olduğu saatte duracaktır. Çünkü prensipte, kutunun kütlesi ve enerjisi bilinmektedir. Bundan dolayı enerjideki ve zamandaki değişim ∆E∆t belirsizlik ilkesinin önerdiğinden çok daha kesin bir oranla tespit edilebilir. Fikir net ve önermeler saldırılamaz derecede kesin gözüküyordu. Bohr’un nasıl bir savunma yapacağı bilinmiyordu. Einstein’ın bu kadar zekice, cevap verilmesi neredeyse imkânsız sorusu acaba kuantum devrini mi kapatacaktı? Yıllar sonra kongreye katılan fizikçi Leon Rosenfeld şöyle yazdı: “Bohr için büyük bir şoktu. Toplantıda Einstein'ı ilk dinlediğinde saldırılarına karşı bir çözüm bile getiremedi. Akşam yemeğinde onu gördüğümde inanılmaz derecede tedirgindi. Yanındaki fizikçiye eğer Einstein haklıysa fizik hayatının biteceğini söylemişti. Ancak bu durumda bile Einstein'ın görüşlerine bir anti-tez üretmeyi başaramadı. O gün iki muhalif figürün salonu terk edişlerini unutmayacağım. Geçmiş çalışmalarından dolayı sahip olduğu ün ile emin adımlarla ilerleyen, suratındaki ironik gülümsemeyle Einstein ve tedirginlik içinde hızlı adımlarla salonu terk eden düşünceli Bohr. Ertesi sabah ise Bohr, bir zafer ile kongreye geri dönüş yapacaktı.” "Bohr'un zaferi", Einstein’ın zekice düşünce deneylerinin tartışmayı sonlandırabilecek seviyede olmadığını gösterecekti bize. Bohr, savunmasını yaparken Einstein'ın oluşturduğu yer çekimsel kütle ve iç kütle kavramlarını kullanarak cevabını vermişti. Bohr, Einstein'ın kutu deneyinin işe yarar olabilmesi için, kutunun bir yer çekimi alanında asılı olması gerektiğini gösterdi. Kutu açıldıktan sonra bir foton kutuyu terk etse bile, ortam ile bağlantı oluştuğu için birçok foton kutuya girecek ve yer çekimsel alan değişecekti. Fotonun kutudan çıkması kutuyu hareket ettirecekti. Kutunun kütlesini ölçmek için kutuyu eski konumuna geri getirmek gerekiyordu ve bunun için dışarıdan bir kuvvet, enerji gerekecekti. Bu kuvvet uygulandığında bu içerideki sistemin enerjisini değiştirecek değişen enerjiyi dengelemeye çalışan sistem foton alışverişine girişecek ve bu da yine konumu değiştirecek. Bu döngüden dolayı Enerji ve zaman arasındaki belirsizliği devam edeceğini, bundan dolayı da Bohr, ∆E∆t ≥ h eşitliğinin sağlanamayacağını söyledi ve haklıydı da. Einstein bir klasik fizikçi olarak Niels Bohr’a her zaman son derece zorlayıcı sorular sorardı. Bunlar her zaman kuantumla alakalıydı ama kuantumun tek bir sıkıntısı ile alakalı değildi. Başka konularda da klasik fiziğe uymuyor kuantum mekaniği. Hatta Einstein’ın son derece popüler bir sözü vardır kuantum mekaniğinin yanıldığı nokta hakkında: “Tanrı zar atmaz.”. Bu söz direkt olarak kuantum fiziğinin deterministik olmadığı hakkında. Yazının başlarında da belirttiğim üzere, bu klasik fiziğe tamamen aykırı.
Bu tartışmalar hakkında Bohr tarafından yayımlanan "Einstein ile Atom Fiziği'ndeki Epistemolojik Problemler Üzerine Sohbetler" isminde bir kitap da vardır. Tartışmaları, kuantum fiziğine olan katkılarına ek olarak bilim felsefesine de katkı sağladığı için günümüzde hâlâ önemini korumaktadır.
Şimdi biraz da kuantum mekaniğinin felsefe ile olan ilişkisinden bahsetmek lazım. Şöyle ki: Kuantum mekaniğini kuran bilimsel deneyler ve bu deneylerden bilimsel ve felsefi bir refleksiyonla çıkan ilkeler ve kavramlar, önce hem bilimsel hem de felsefi bir dille betimlenmekte, ardından felsefi olarak çözümlenmektedir. Aslında bu sadece kuantum mekaniği için geçerli değil. Fizik biliminde genellikle bir teori en basitleştirilmiş haliyle şu 2 adımdan geçer:
1) Öncelikle mantık çerçevesinde, olabilme ihtimali olan bir fikir ortaya atılır.
2) Bu fikir deneylerle kanıtlanabiliyorsa kanıtlanır, deney yapılamıyorsa matematiksel denklemlerle doğruluğu ispatlanır.
Ancak şunu da belirtmek lazım ki: Bu iki özelliği de taşıyan teorilerin doğruluğu kesin değildir çünkü birçok teori bu özelliği taşıyabilmektedir. Bu durumda da birçok teori arasından bir teori genellikle öne çıkar ve aksi ispatlanana kadar doğru kabul edilir.
Bu adımların ilki, diğer teorilerden ayrı olarak kuantum mekaniğinin inanılmaz büyük bir kısmını oluşturur. Bu da aslında kuantum mekaniğinin felsefe ile olan büyük ilişkisinin en büyük kanıtı.
Tüm bu yazdıklarım çerçevesinde, kuantum mekaniğinin bilim ve insanlık tarihi için çok büyük öneme sahip olduğunu rahatlıkla görebiliyoruz.
KAYNAKÇA BÖLÜMÜ
